RPC管-海水海砂混凝土组合柱抗压性能

单波 王志鸿 肖岩 赖大德

摘   要：在配有碳纤维增强塑料（CFRP）封闭箍筋的活性粉末混凝土（RPC）预制管内浇筑海水海砂混凝土（SWSSC），形成一种新型组合结构--RPC预制管-SWSSC组合柱（SFRPCT）. 这种组合柱能有效克服SWSSC中的盐分对构件耐久性的影响，并适用于海洋工程等高腐蚀性环境. 对12个大尺寸SFRPCT试件和3个CFRP箍筋约束SWSSC柱（FRPHSC）开展了轴压试验，研究RPC管与内部SWSSC的组合效应及箍筋间距对轴压性能的影响. 结果表明，在峰值荷载下，RPC管表面产生大量细而密的裂缝，但保护层没有出现明显的剥落现象;SFRPCT的轴向承载力显著高于对应的FRPHSC，这一组合形式将RPC超高的抗压强度和CFRP箍筋的约束效应有效结合了起来. 基于相关试验数据和模型，给出SFRPCT组合柱的轴向承载力计算方法，并对组合效应进行了分析，结果表明，RPC管所承担的荷载与组合柱承载力的比值在0.39～0.42之间.

关键词：海水海砂混凝土;活性粉末混凝土（RPC）;纤维增强复合材料（FRP）;柱;组合效应

中图分类号：TU398.9                       文献标志码：A

文章編号：1674—2974（2020）09—0104—09

Abstract：An innovative composite structure， named seawater and sea sand concrete（SWSSC） filled reactive powder concrete（RPC） tube（SFRPCT），was presented in the paper. In the hybrid system， carbon fiber reinforced polymer（CFRP） hoops are arranged in prefabricated RPC tube and then SWSSC is cast in tube. From the material durability point of view， SFRPCT has excellent corrosion resistance and it can be potentially applied in marine construction. A total of 15 large-scale columns were conducted under axial compression test， including 12 SFRPCT specimens and 3 CFRP hoops confined SWSSC（FRPHSC） specimens. Composite effect between RPC tube and internal SWSSC and influence of mechanical properties from lateral confinement level were investigated in test. The results showed that only slight crack on RPC tube of SFRPCT column occurred without any spalling when axial load approached its peak value. Compressive strength and ductility of the SFRPCT columns were significantly higher than those of the corresponding FRPHSC specimen and increased with the increase of the volumetric hoop ratio in RPC tube. Therefore， SFRPCT hybrid system effectively combined the super-high strength of RPC and confinement effect by CFRP hoops. Based on existing test data and model， a calculation method for carrying capacity of SFRPCT was proposed. Contribution ratio of RPC tube for carrying capacity of SFRPCT columns was quantified and its value varied from 0.39 to 0.42.

Key words：seawater and sea sand concrete;reactive powder concrete（RPC）;fiber reinforced polymer（FRP）;column;composite effect

随着经济的发展，基础设施建设对混凝土的需求量逐年增大. 据统计，2016年全世界水泥产量达到42亿吨，折算成混凝土不少于100亿立方米[1]. 混凝土的生产需要消耗大量的淡水和河砂等自然资源，给环境造成巨大的负担. 因此，利用海水、海砂等丰富的海洋资源替代淡水和河砂拌制混凝土，日益受到关注. 现有研究表明，海水海砂混凝土（seawater and sea sand concrete，SWSSC）具有与普通混凝土类似的力学性能[2-3]. 因此，对于缺乏淡水和河砂资源的国家或地区，采用SWSSC进行基础设施建设具有很强的吸引力，特别是用于岛礁工程建设中，可有效解决由大宗原材料长距离运输所导致的建设成本过高问题[4].

SWSSC中含有大量盐分，会引起钢筋的锈蚀，造成严重的耐久性问题[5]，因此，普通钢筋不能用于SWSSC，需要采用其他耐腐蚀性强的增强材料替代普通钢筋. 纤维增强塑料（fiber reinforced polymer，FRP）具有高的强度-质量比和突出的耐腐蚀能力，被认为是替代普通钢材的理想材料[6]. 另外一种受到关注的材料是不锈钢. 当FRP和不锈钢与SWSSC结合起来用于受压构件时，一种非常有效的方式是将FRP与不锈钢制成管材，内部填充SWSSC，形成约束组合柱，如FRP管-SWSSC组合柱、不锈钢管-SWSSC组合柱. 一些学者对这两类组合柱开展了初步研究[7-9]. 结果表明，这两类组合柱的轴向承载能力高、延性好，适用于海洋工程建设.

然而，这些组合柱在性能上存在不足. 对于FRP管-SWSSC组合柱，由于FRP中的树脂是温度敏感性材料，其玻璃态转换温度较低，因此，该组合柱不适合用于高温环境[10-11]. 此外，相关加速试验结果显示，当FRP长期处于海水中时，抗拉强度的退化不能忽视[12-13]. 对于不锈钢管-SWSSC组合柱，一方面钢材本身不耐火，导致组合柱的抗火性能较差[14-15]，另一方面，不锈钢管的价格昂贵，这也是其实际应用中一个不可忽视的问题[7].

活性粉末混凝土（reactive powder concrete，RPC）是一种超高性能混凝土，是具有超高抗压强度、高耐久性以及高韧性的新型水泥基复合材料[16-17]. RPC抗氯离子渗透和耐硫酸盐腐蚀的能力极为突出，适用于海洋工程[18]. 实际使用中，一般采用加热养护以促进RPC强度的快速发展[19]. 此外，考虑到RPC的材料价格相对较高，如制成实心受压构件，其承载力很可能由刚度控制[20]，材料性能得不到充分发挥. 因此，在实际工程中，RPC一般以预制薄壁构件及组合构件为主[21].

基于研究现状及RPC的特点，本文提出一种新型SWSSC组合柱：RPC预制管-SWSSC组合柱（SWSSC filled RPC tube，简称SFRPCT），其基本结构如下：将RPC预制成配置FRP封闭箍筋的薄壁管，施工时在内部浇注SWSSC，形成组合柱. 为进一步提高预制管的耐久性，选用不锈钢钢纤维替代普通钢纤维配置RPC. 在这一组合体系中，一方面，RPC管中的FRP封闭箍筋对内部SWSSC提供了有效侧向约束，组合柱具有高承载力与高延性;另一方面，RPC管具有一定的厚度、超高的抗压强度和良好的变形能力，能与内部SWSSC共同工作，直接承受相当部分的轴向荷载，对承载力有显著贡献[22].

与上述两类组合柱相比，SFRPCT具有显著优势：相比于FRP管-SWSSC组合柱，RPC能有效地保护其内部的FRP箍筋，SFRPCT的长期性能和抗高温性能明显优于FRP管-SWSSC组合柱;相比于不锈钢管，RPC管本身具有成本优势和更好的抗火性能[23]. 此外，RPC管与SWSSC同为水泥基材料，物理特征相似，从材料层面改善了钢管混凝土柱中管壁与混凝土脱空问题. 施工过程中，RPC管可作内部混凝土的永久模板，还能作为施工支撑体系的一部分，具有与钢管混凝土类似的施工便利性.

本文进行了15根大尺寸试件的单轴抗压试验，探讨SFRPCT的组合效应与承载力计算方法，为组合柱的深入研究与应用提供基础性数据.

1   试验设计

1.1   试件设计

本试验采用直径6 mm的碳纤维增强塑料（CFRP）筋作为RPC管内的封闭箍筋，对4组不同箍筋间距的SFRPCT试件和1组CFRP箍筋约束SWSSC（CFRP hoops confined SWSSC，简称FRPHSC）大尺寸试件进行轴向抗压试验，每组3个试件. 各组试件的基本参数见表1. 表1中，s为箍筋间距，ρv为体积配箍率，f ′rpc，co为RPC轴心抗压强度，f ′sw，co为SWSSC轴心抗压强度，Nu为试件抗压承载力. 试件编号前一部分表示试件类型，其中，SFR代表RPC管-SWSSC组合柱（SFRPCT），FRPH代表CFRP箍筋约束SWSSC组合柱（FRPHSC）;后一部分表示箍筋间距，例如SFR-20表示箍筋间距为20 mm的RPC管-SWSSC组合柱.

SFRPCT试件的基本尺寸如图1所示. RPC管的外径D为300 mm，高为600 mm，内径d为250 mm，壁厚t为25 mm，在管壁的中间厚度位置（t/2）处配置CFRP封闭箍筋. 设置了4根直径为3 mm的纵向CFRP筋做架立筋，不考虑其轴向承载能力[24].

FRPH-20为对比柱，其外形尺寸、配筋及SWSSC均与SFR-20完全相同.

1.2   试件制作

1.2.1   材料性能

CFRP箍筋直径为6 mm，由工厂通过拉挤成型工艺生产，并采用环氧树脂黏接形成封闭箍，如图2（a）所示，搭接段长度为120 mm，如图2（b）所示. 其母材拉伸强度ffrp为1 801 MPa，弹性模量E=130 GPa，极限伸长率δfrp = 1.39%.

RPC原材料的基本情況如下：水泥为52.5的硅酸盐水泥（P·I）;粉煤灰为Ⅱ级灰，比表面积为615 m2/kg（经磨细处理）;硅灰平均粒径为0.1 μm;石英砂规格为350～833 μm（20～40目）;石英粉规格为47 μm（325目）;聚羧酸高性能减水剂（粉剂）;不锈钢纤维，直径为0.2 mm，长度为13 mm. 配合比为：V水泥 ∶ V粉煤灰 ∶ V硅灰 ∶ V石英砂 ∶V石英粉 ∶ V减水剂 ∶ V不锈钢钢纤维 = 1.0 ∶ 0.1 ∶ 0.25 ∶ 1.1 ∶ 0.1 ∶ 0.015 ∶ 0.02，水胶比为0.18. 在90 °C热水养护48 h后，100 mm立方体抗压强度为153.8 MPa.

SWSSC的设计强度等级为C50，原材料的基本情况为：水泥为42.5普通硅酸盐水泥;粗骨料为最大粒径为25 mm的碎石;细骨料为天然海砂，细度模数为2.84. 采用人工海水拌制混凝土，其离子质量浓度参照文献[4]配制，见表2. 混凝土配合比為：V水泥∶V碎石 ∶ V海砂 ∶ V人工海水 = 1 ∶ 2.35 ∶ 1.15 ∶ 0.38. 标准养护的立方体抗压强度为55.7 MPa.

1.2.2   组合柱制作

RPC预制管在实验室由人工制作，基本步骤为：扎带扎制CFRP箍筋笼，如图3（a）所示;将箍筋笼放入定制钢模内，并浇筑RPC，如图3（b）所示;室内静置48 h后拆模，并置于90 ℃热水养护48 h，成型的RPC管如图3（c）所示;RPC预制管作为外模，在管内浇筑SWSSC形成组合柱，待混凝土硬化后，用聚合物砂浆对组合柱的顶面进行修补，得到平整的受压面，如图3（d）所示.

1.3   测量方案与加载制度

为测量箍筋的应变，在RPC管浇筑前，选择试件中部的2圈箍筋，每圈表面粘贴4个长度为3 mm的应变片（H1～H4、H5～H8）. 抗压试验前，在RPC管表面的对应位置，轴向粘贴4个纵向应变片（A1～A4），主要用于加载初期的对中，如图4所示. 在试件的中部安装一个轴向变形测试架，设有两个高精度的位移传感器（LVDT），以准确测量试件在整个试验过程中的轴向变形.

加载设备为10 000 kN的电液伺服压力试验机，加载制度为：开始阶段，采用力控制，加载速率为5 kN/s;当荷载达到预估极限荷载90%时改为位移加载，加载速率为0.1 mm/min，直至试件失去承载能力.

2   试验结果

2.1   破坏形态

对比试件FRPH-20为CFRP箍筋约束SWSSC组合柱，加载至峰值荷载的65%左右，试件中上部出现细微的竖向裂缝，随着荷载的增加，裂缝宽度迅速增大;当达到峰值荷载的85%左右时，试件表面开裂现象严重，保护层开始剥落;达到荷载峰值时，保护层大面积剥落，CFRP箍筋外露，如图5（a）所示. 此后，在承载力下降过程中，保护层混凝土完全剥落，箍筋断裂，导致试件破坏，如图5（b）所示.

SFRPCT试件破坏模式基本类似，以SFR-20为例，加载至峰值荷载的85%左右，在RPC管中部开始出现几条细小的横向裂缝和斜裂缝，并随着荷载增加不断发展;达到荷载峰值时，RPC管表面有大量细而密的裂缝，但没有出现剥落现象，如图6（a）所示;随后，随着荷载缓慢下降，RPC管表面裂缝持续扩展并连通，在中部附近形成一条主纵向裂缝并向端部延伸，钢纤维不断被拔出;最后，CFRP箍筋陆续断裂，而RPC管依然没有出现明显的剥落现象，如图6（b）所示.

对于其他SFRPCT试件，随着箍筋间距的增大，试件破坏时的裂缝宽度有所增大，而裂缝数量相应减少，如图6（c）（d）（e）所示.

2.2   轴压结果分析

2.2.1   轴压承载力

轴压承载力的试验结果汇总于表1中. 可以看出，SFRPCT的承载力随着RPC管中箍筋间距的减小而增大，且箍筋越密，增长幅度越大，可见箍筋间距对轴向抗压承载力的影响较大.

在配箍相同的情况下，SFR-20的承载力要显著高于对比柱FRPH-20. 主要原因有两个：一方面，RPC具有超高的抗压强度，因而RPC管的承载力高于对应面积的SWSSC;更为重要的是，RPC管在峰值荷载下裂而不散，维持了其整体性，能有效承担轴向荷载，而对比柱的混凝土保护层在达到荷载峰值前已出现严重的剥落现象，对承载力没有贡献. 这表明RPC超高的抗压强度和CFRP箍筋的约束效应可以形成协同效应，提高组合柱的承载力.

2.2.2   荷载-轴向应变曲线

图7给出了各组试件荷载-轴向应变平均曲线. 对于SFRPCT试件，荷载作用初期，曲线呈线性且基本重合;进入弹塑性阶段后，随着箍筋间距减小，试件的峰值荷载和峰值应变越大，曲线的弹塑性阶段越长，曲线的下降段随箍筋间距的减小而趋于平缓. 这主要是因为CFRP箍筋越密，对SWSSC的侧向约束作用越强，强度和延性也越好. 此外，曲线下降段有一定的波动，这主要是由于钢纤维被拔出及CFRP箍筋断裂导致的，荷载突变点对应于箍筋断裂发生点. 随着箍筋间距减小，箍筋的断裂次数增加，且每次断裂造成的承载力降低幅度也更小，显示出组合柱破坏前具有明显的征兆.

FRPH-20的荷载-轴向应变曲线形状与SFR-20类似，但前者曲线的初始斜率明显偏低. 这主要是由于RPC管具有较高的弹性模量，提高了组合柱的初始刚度，表明RPC管在荷载作用初期就能有效承担轴向荷载. 与此相对应，在CFRP箍筋开始产生有效的约束应力时（对应于弹塑性段的起点），SFR-20的荷载显著高于FRPH-20，此后，两条曲线的差距不断增大，这显示RPC管在受力的全过程都对组合柱的轴向承载能力有显著贡献.

2.2.3   荷载-箍筋应变曲线

荷载-箍筋应变曲线如图8所示. 对于SFRPCT试件，加载初期，各组试件的荷载-箍筋应变曲线基本重合，箍筋的应变水平都很低;到峰值荷载的85%左右时，曲线斜率开始发生变化，此时箍筋应变在250με左右，这与RPC的开裂应变基本一致[20]，表明CFRP箍筋在预制管开裂前基本没有产生约束作用.

此后，箍筋应变显著增大，显示出箍筋开始发挥其约束效应，直到试件破坏. 此外，箍筋间距对箍筋应变发展有显著影响，箍筋间距越小，箍筋的极限应变也越大，但都显著小于CFRP筋材拉伸试验测得的极限应变，其比值在29%～57%之间，与其他研究者报道的结果相吻合[25].

与SFR-20相比较，FRPH-20的箍筋应变发展更快，即在荷载相对较低时箍筋应力更大. 主要是FRPH-20的保护层在加载的前期就出现开裂、剥落，迅速退出工作，导致轴向应力增长加快、横向变形增大，因而箍筋的应力水平更高. 这从侧面证明了RPC管对轴向承载力的有效贡献.

2.2.4   刚度与延性

表3给出了各组试件的主要力学指标平均值. 组合柱的极限点定义为荷载下降到峰值荷载80%所对应的点，该点的应力和应变分别为极限应力σu和极限应变εu. 表3中，σcc与εcc分别表示峰值应力与峰值应变;εcc，frp为峰值荷载下的CFRP筋的实际拉伸应变;εy为屈服应变，根据等能量法计算得到，如图9所示[26];刚度Es为曲线直线段斜率;用延性系数μ来表征试件的变形性能，定义为μ=εu /εy.

由表3可见，对于SFRPCT试件，刚度Es与配箍率基本无关;而峰值应力、峰值应变、极限应力与极限应变，都随着配箍率的提高而增大;此外，组合柱的延性系数μ也随配箍率的提高而增大，这表明更强的侧向约束，对提高SFRPCT的承载力和变形能力都有显著作用.

相比于SFR-20，FRPH-20的刚度Es和延性系数μ分别下降了26%和27%，差别显著. SFRPCT具有更高的刚度，与RPC具有较高的弹性模量有关，这对于减少组合柱在正常使用过程中的变形有积极作用. SFRPCT的延性提高，也得益于RPC具有优异的变形能力. 试验结果证明，RPC管对组合柱的强度、刚度、变形能力均具有显著的贡献，在组合柱的设计中，其作用不可忽视.

3   轴向承载力预测

SFRPCT组合体系中，内部SWSSC的侧向约束来源于CFRP箍筋，因此，从约束实质上来看，其属于箍筋约束混凝土. Mander模型是在试验基础上提出的一个钢筋约束混凝土短柱的经典模型[27-28]. 在该模型中，箍筋提供的侧向约束力沿柱轴向分布不均匀，在箍筋之间的中间截面处最小，且该截面分为有效约束区和非有效约束区，如图10所示. 该模型不考虑箍筋中心线以外的混凝土对轴向承载力的贡献，混凝土的抗压强度f′cc 按式（1）计算.

式中：f′co 为混凝土的轴心抗压强度;f ′l 为箍筋提供的有效约束应力，按式（2）和式（3）计算.

Afifi等对CFRP筋约束混凝土开展了抗压试验[24-25]，结果表明，由于CFRP箍筋与钢筋的力学性能存在显著差异，Mander模型不能直接套用于CFRP箍筋约束混凝土. 实际上，Mander模型是基于William-Warnke五参数破坏准则所提出的[29]，该模型一般表达式如下[25，27]：

在Afifi模型中，FRP箍筋的侧向压应力fl，按式（6）计算，需考虑弯曲对FRP筋强度的影响[30].

式中：ffrp为直FRP筋测得的抗拉强度;ffrp，b为FRP筋弯曲后的强度;rb为箍筋的弯曲半径;db为箍筋直径. 与Mander模型相同，Afifi模型也不考虑箍筋中心线以外的混凝土对组合柱轴向承载力的贡献.

采用上述两个模型对试验柱的轴向承载力进行预测，得到承载力的计算值Nu，t与试验值Nu的比如图11所示（图中“本文模型”详见下节）. 对于Mander模型，在箍筋间距较小时，显著高估了SFRPCT的轴向承载力;而在箍筋间距较大的情况下，该模型又低估了组合柱的承载力. 对于Afifi模型，SFRPCT承载力的预测值均小于试验值，其误差随着箍筋间距的增大呈逐步增加的趋势，其主要原因应该与该模型不考虑箍筋中心线以外RPC管对轴向承载力的贡献有关. 因此，两个模型均不适用于SFRPCT组合体系，必须提出新的承载力计算方法.

4   组合效应分析

4.1   SFRPCT承载力计算方法

如图10所示，RPC管以箍筋中心线（t/2）为界，可分为外壁和内壁，其中，外壁为非约束区，而内壁的受力相对复杂，可能同时存在非有效约束区与有效约束区，这与箍筋间距和管壁厚度有关. 考虑到RPC为薄壁管，在试验范围内，即使少数试件的部分管壁处于有效约束区，其所占比例也很有限，为简化问题，将RPC管作为整体看待，整个截面的轴向承载力分为RPC管与内部SWSSC两者所承担的轴向荷载之和：

刘志[31]对配有高强螺旋箍筋的RPC预制管混凝土组合短柱（CFRT）的单轴抗压性能进行了试验与分析，根据其研究结果，可获得RPC管剩余强度比

考慮到本文SFRPCT试件与上述CFRT试件具有相似的组合方式，且管壁厚度相同、配箍率接近，故推测RPC管的受力状态很接近. 基于此，假定公式（10）也适用于SFRPCT，则Nrpc可基于配箍率ρv计算得到，进而从组合柱的承载力Nu中减去Nrpc，推定出内部SWSSC的承载力Nsw，以上数据均列于表1.

基于表1中Nsw的结果，对Mander模型的一般表达式（4）进行拟合，结果如图12所示，获得参数为：b0 = -0.829，b1 = -5.616，b2 = -5.379. 则内部SWSSC的强度f′    sw，cc 计算公式如下：

需要说明的是，式（11）中，CFRP箍筋提供的侧向压应力fl由式（6a）计算确定，其中，CFRP筋的抗拉强度ffrp，b取峰值荷载下CFRP箍筋的实际应力，按式（12）计算，这样更加符合实际约束状态.

式中：εcc，frp为峰值荷载下的CFRP筋的实际拉伸应变，见表3.

因此，基于公式（10）和公式（11），建立了SFRPCT的轴向承载力的计算方法，模型计算结果与试验结果的比也在图11中给出，二者吻合程度较高. 应该注意到，对于SFRPCT试件，由于模型推导与验证均采用同一试验结果，为循环自证过程，因此，并不能说明该方法的准确性. 此外，可以看到，对比柱FRPH-20的预测结果与测试结果的误差约为10%，在一定程度上可以接受，考虑到这一数据不属于循环自证范围，这间接反映了该方法具有一定的合理性. 然而，相比于Afifi模型，该方法的预测偏差增大了约1倍，这表明SFRPCT的受力特征与普通FRP箍筋约束混凝土柱在性能上存在差别. 换言之，在本文模型中直接采用Afifi模型估算组合柱内部SWSSC的强度并不合适. 必须强调的是，该计算方法中对于RPC管剩余强度f′     rpc，re  的确定，是直接采用钢筋约束的CFRT抗压研究成果的经验公式，其适用性及准确性需要设计相应试验，开展进一步的验证.

4.2   RPC管承载力贡献

按本文提出的承载力计算方法，可以获得Nrpc，co（按RPC轴心受压强度f′     rpc，co 计算）和Nrpc（按剩余强度f′     rpc，re  计算）分别与总承载力之比（贡献率），如图13所示. 可以看到损伤降低了RPC管对组合柱轴向承载力的贡献，其影响较为显著. 再者，贡献率随箍筋间距的增大而小幅增长，但变化幅度不大. 本文试验中，RPC管对轴向承载力的贡献率为0.39～0.42，平均值为0.40，相当显著. 这表明整个RPC管对于SFRPCT组合柱的轴向承载力贡献不可忽略.

5   结   论

本文提出了一种新的约束混凝土组合柱--RPC预制管-海水海砂混凝土组合柱（SFRPCT），并对12个大尺寸SFRPCT试件与3个对比试件开展了轴压试验，得出的主要结论如下：

1）在受压过程中，由于钢纤维的桥接作用，RPC管裂而不散，维持了其完整性，有效避免了SFRPCT在峰值荷载下的保护层剥落现象，是RPC管能与内部SWSSC协同受力的基础.

2）SFRPCT试件的承载力显著高于对应的FRPHSC试件，表明在这一组合体系中，基于约束组合效应，实现了RPC超高的抗压性能和CFRP抗拉性能的有效结合.

3）基于相关试验数据及修正Mander模型，提出了SFRPCT的轴向承载力计算方法，并分析了其组合效应. 结果表明，RPC管对组合柱承载力的平均贡献为0.40，相当显著.

4）SFRPCT组合柱从材料层面克服了SWSSC所带来的腐蚀性问题，具有良好的抗压性能，扩展了SWSSC的应用范围，在海洋工程中应用前景良好.

本文僅对SFRPCT的轴心抗压性能与组合效应进行了初步研究，下一步需要对FRP箍筋的种类、RPC管壁厚度等更广泛的参数开展试验研究，重点研究采用变形能力高、价格低的玻璃纤维增强塑料（GFRP）和玄武岩纤维增强塑料（BFRP）作为箍筋的影响. 此外，有必要对这一组合体系的抗侧力性能与耐久性能开展试验研究.

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